(57)【要約】  コバルト相互接続部からの表面酸化物の除去中に発生する窒化、及び窒素含有膜のコバルト相互接続部上への堆積による、コバルト相互接続部内での抵抗の増加が、水素熱アニール又はプラズマ処理によって解決される。窒化物の除去は、誘電体バリア層又はエッチング停止層でありうる薄い上に重なる層を通して行われる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ワークピースを処理する方法であって、
前記ワークピースの上に、誘電体層、及び前記誘電体層を貫通する層間相互接続部を形成することと、
前記層間相互接続部の露出面から酸化物を除去することと、
前記層間相互接続部の上に、閾値の厚さ未満の厚さの堆積層を堆積させることであって、前記堆積層が誘電体バリア層又はエッチング停止層のうちの１つを含む、堆積させることと、
前記堆積層を通して、前記層間相互接続部から窒素を除去することによって、前記層間相互接続部の電気抵抗を低減することと、
前記堆積層の厚さを前記閾値の厚さを上回るほど増加させることと
を含む方法。
【請求項２】
前記層間相互接続部がコバルトを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記閾値の厚さが１００オングストロームを超えない、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記閾値の厚さが５０オングストロームを超えない、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記閾値の厚さが約２０オングストロームである、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記酸化物を除去することが、窒素含有ガスで形成されたプラズマ内で前記ワークピースを処理することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記窒素含有ガスがアンモニアを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記層間相互接続部から前記窒素を除去することが、水素プラズマ、ラジカル又は水素熱アニールのうちの１つを用いて前記層間相互接続部を処理することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記堆積層が誘電体バリア層である、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記誘電体バリア層がケイ素を含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記誘電体バリア層が、炭素、酸素又は窒素のうちの一又は複数を更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記堆積層が、窒素含有材料を含むエッチング停止層である、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記エッチング停止層が窒化物を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記エッチング停止層がＡｌＮを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記閾値の厚さが、水素プラズマ、ラジカル又は水素熱アニールによって、前記堆積層を通して、窒素の除去を可能にするほど十分に小さい、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記水素熱アニールが、摂氏２００−５００度の温度範囲内で実行される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
ワークピースを処理する方法であって、
統合ツールを提供することと、
前記ワークピースの上に、誘電体層、及び前記誘電体層を貫通する層間相互接続部を形成することと、
前記統合ツールのそれぞれのチャンバ内で、以下それぞれの動作、
（ａ）前記層間相互接続部の露出面から酸化物を除去すること、
（ｂ）前記層間相互接続部の上に閾値の厚さ未満の厚さの堆積層を堆積させることであって、前記堆積層が誘電体バリア層又はエッチング停止層のうちの１つを含む、堆積させること、
（ｃ）前記堆積層を通して、前記層間相互接続部から窒素を除去することによって、前記層間相互接続部の電気抵抗を低減すること、
及び
（ｄ）前記堆積層の厚さを前記閾値の厚さを上回るほど増加させること
を実行することと
を含む方法。
【請求項１８】
ワークピースを処理する方法であって、
ツールを提供することと、
前記ワークピースの上に、誘電体層、及び前記誘電体層を貫通する層間相互接続部を形成することと、
前記ツールの１つのチャンバ内で、以下それぞれの動作、
（ａ）前記層間相互接続部の露出面から酸化物を除去すること、
（ｂ）前記層間相互接続部の上に閾値の厚さ未満の厚さの堆積層を堆積させることであって、前記堆積層が誘電体バリア層又はエッチング停止層のうちの１つを含む、堆積させること、
（ｃ）前記堆積層を通して、前記層間相互接続部から窒素を除去することによって、前記層間相互接続部の電気抵抗を低減すること、及び
（ｄ）前記堆積層の厚さを前記閾値の厚さを上回るほど増加させること
を実行することと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）構造といった、集積回路内の層間導電性のための導電性コバルト相互接続部を有する層構造を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＣＭＯＳデバイスでは限界寸法（ＣＤ）が縮小されるので、導電性相互接続部のライン抵抗が増加する。導電性相互接続部は、典型的には銅である。ライン抵抗を増加させるという問題に対処するために、導電性相互接続部は、銅の代わりにコバルトで形成されてもよい。
【０００３】
化学機械研磨（ＣＭＰ）に続き、コバルト相互接続部の露出面は、上に重なる薄いコバルト酸化物層を形成する傾向にあり、この層は除去されなければならない。薄いコバルト酸化物層を除去するための１つの方法は、アンモニアプラズマ（ＮＨ３で形成されたプラズマ）で構造を処理することである。この処理は、構造の絶縁膜経時破壊（ＴＤＤＢ）挙動を高める可能性がある。下層を損傷せずにコバルト酸化物層を除去することは、困難である。
【発明の概要】
【０００４】
第１の態様によれば、ワークピースを処理する方法は、ワークピースの上に誘電体層、及び誘電体層を貫通する層間相互接続部を形成することと、窒素含有ガスで形成されたプラズマ内でワークピースを処理することによって、層間相互接続部の露出面から酸化物を除去することと、層間相互接続部の上に、閾値の厚さを超えない、例えば閾値の厚さ未満の、例えば１００オングストロームといった厚さの誘電体バリア層を堆積させることとを含む。方法は、誘電体バリア層を通して、層間相互接続部から窒素を除去することによって、層間相互接続部の抵抗を低減することと、誘電体バリア層の厚さを閾値の厚さを上回るほど増加させることとを更に含む。
【０００５】
１つの実施形態では、窒素含有ガスはアンモニアを含む。１つの実施形態では、層間相互接続部はコバルトを含む。
【０００６】
１つの実施形態では、閾値の厚さは、５０オングストロームを超えず、約２０オングストロームでありうる。
【０００７】
１つの実施形態では、層間相互接続部から窒素を除去することは、ワークピースを水素プラズマ、ラジカル又は水素熱アニールに曝露することを含む。
【０００８】
１つの実施形態では、誘電体バリア層は、ケイ素と、炭素、酸素、窒素のうちの一又は複数とを含む。
【０００９】
１つの実施形態では、閾値の厚さは、水素プラズマ、ラジカル又は水素熱アニールによって、誘電体バリア層を通して、窒素の除去を可能にするほど十分に小さい。
【００１０】
第２の態様によれば、ワークピースを処理する方法は、ワークピースの上に誘電体層、及び誘電体層を貫通する層間相互接続部を形成することと、窒素含有ガス又は水素プラズマ、ラジカル若しくは熱アニールから形成されたプラズマ内でワークピースを処理することによって、層間相互接続部の露出面から酸化物を除去することとを含む。方法は、層間相互接続部の上に閾値の厚さ未満の厚さのエッチング停止層を堆積させることと、エッチング停止層を通して、層間相互接続部から窒素を除去することによって、層間相互接続部の抵抗を低減することと、エッチング停止層の厚さを閾値の厚さを上回るほど増加させることとを更に含む。
【００１１】
１つの実施形態では、層間相互接続部はコバルトを含む。
【００１２】
１つの実施形態では、閾値の厚さは、５０オングストローム未満であり、又は約２０オングストロームでありうる。
【００１３】
１つの実施形態では、層間相互接続部から窒素を除去することは、ワークピースを水素プラズマ、ラジカル又は水素熱アニールに曝露することを含む。
【００１４】
１つの実施形態では、エッチング停止層は、ＡｌＮなどの窒素含有物質を含む。
【００１５】
１つの実施形態では、窒素含有ガスはアンモニアを含む。
【００１６】
１つの実施形態では、閾値の厚さは、水素プラズマ、ラジカル又は水素熱アニールによって、エッチング停止層を通して、窒素の除去を可能にするほど十分に小さい。
【００１７】
達成された本発明の例示的な実施形態を細部にわたって理解できるように、上で簡潔に要約した本発明のより具体的な説明は、添付の図面に示されている本発明の実施形態を参照することによって得られよう。本発明を不明瞭にしないために、特定の周知のプロセスが本明細書で論じられていないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】ＡからＥは、集積回路構造の連続側面図を示し、その連続側面図は、一連の処理動作に対応する。
【図２】連続する図１−ＡからＥに対応する一連の処理動作のブロックフロー図である。
【図３】ＡからＥは、集積回路構造の連続側面図を示し、その連続側面図は、一連の処理動作に対応する。
【図４】連続する図３−ＡからＥに対応する一連の処理動作のブロックフロー図である。
【００１９】
理解を容易にするため、可能な場合には、図に共通する同一の要素を示すために同一の参照番号を使用した。１つの実施形態の要素及び特徴は、更なる記述がなくとも、他の実施形態に有益に組み込まれうると想定される。しかしながら、本発明は他の等しく有効な実施形態も許容し得ることから、添付の図面は、本発明の典型的な実施形態のみを例示しており、したがって、本発明の範囲を限定すると見なすべきではないことに留意されたい。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
前述のように、下層を損傷することなくコバルト酸化物層を除去することは困難である。我々がコバルト相互接続部で発見した１つの問題は、アンモニアプラズマなどの窒素又は窒素含有物質に曝露されると、コバルト相互接続部の抵抗が増加することである。我々は、これがコバルト相互接続部の窒化によるものだと考えている。この増加は、構造のサイズ及びデバイス密度次第で、著しく、例えば約５％から２５％でありうる。したがって、１つの問題は、窒化による抵抗の増加をどのように回避するかということである。
【００２１】
ある場合には、誘電体バリア層は、コバルト酸化物を除去した後に、コバルト相互接続部上に堆積される。そのような誘電体バリア層は、炭素、酸素及び／又は窒素といった他の材料との組み合わせで、ケイ素を含有する。コバルト相互接続部のケイ素含有バリア層との接触は、コバルト相互接続部のケイ素化を引き起こす。そのようなケイ素化により、コバルト相互接続部のライン抵抗が増加する。したがって、第２の問題は、エッチング停止層からのケイ素によるコバルト相互接続部のケイ素化に起因した抵抗の増加を引き起こすことなく、ケイ素含有バリア層をコバルト相互接続部の上部にどのように提供するかということである。
【００２２】
他の場合では、コバルト酸化物を除去した後に、エッチング停止層がコバルト相互接続部にわたって堆積される。エッチング停止層は、典型的には、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの窒素含有物質であり、少なくともプロセスにおける後続のエッチング動作が完了するまで、適所に残される。非アンモニアプロセスがコバルト酸化物除去に使用されたとしても（例えば、水素プラズマ、ラジカル又はガスアニール）、窒素含有エッチング停止層のコバルト相互接続部との接触は、コバルト相互接続部の窒化につながり、コバルト相互接続部のライン抵抗を増加させる。したがって、第３の問題は、エッチング停止層からの窒素によるコバルト相互接続部の窒化に起因した抵抗の増加を引き起こすことなく、窒素含有エッチング停止層をコバルト相互接続部の上部にどのように提供するかということである。
【００２３】
図１−Ａ及び図２のブロック２００を参照すると、誘電体層９０は、半導体ウエハといったワークピース９２上に形成された多層半導体構造の複数の層のうちの１つである。誘電体層９０は、低誘電率を有する材料の底部誘電体層１００を含みうる。コバルト相互接続部１０４は、底部誘電体層１００から誘電体層９０を通って、誘電体層９０の上面９０ａに延びる。構造は、多数のコバルト相互接続部を含むが、その相互接続部のうちの１つだけが図には示されている。よって、コバルト相互接続部１０４は、誘電体層９０を貫通する複数の相互接続部のうちの１つである。ワークピース９２は、化学機械研磨によって処理され、コバルト相互接続部１０４の上面１０４ａは露出されたままである。上面１０４ａは、露出されると酸化し、コバルト酸化物層１０６を形成する。ワークピース９２は、プラズマリアクタチャンバ１０７（破線で示される）内に置かれ、図２のプロセスの残りの間、そこに留まってもよい。代替的には、プロセスの異なる動作は、必ずしも１つのチャンバ内とは限らず、異なるチャンバ内で実行することができる。
【００２４】
図１−Ｂに示されるように、コバルト酸化物層１０６は、アンモニアプラズマを用いる酸化物還元プロセスによって除去される（図２のブロック２０５）。アンモニアプラズマからの一部の窒素は、上面１０４ａの下に蓄積し、コバルト相互接続部１０４内に窒素含有ゾーン１０８を形成する。これは、窒化と称されうる。コバルト相互接続部１０４内に窒素が存在すると、コバルト相互接続部の電気抵抗を増加させる。
【００２５】
窒素含有ゾーン１０８は、ケイ素化に耐性があるか又はケイ素化に影響を受けず、ここから説明されることになる、その後のケイ素含有誘電体バリア層の堆積中にケイ素化を防止するために、一時的に適所に残される。
【００２６】
図１−Ｃに示されるように、誘電体バリア層１１０が堆積される（図２のブロック２１０）。この堆積は、例えば、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセスを使用して、又は物理的気相堆積（ＰＶＤ）プロセスを使用して、又は原子層堆積（ＡＬＤ）プロセスを使用して、実行されうる。誘電体バリア層１１０は、薄い（約２０オングストローム）。誘電体バリア層１１０は、炭素、酸素及び／又は窒素といった他の材料を含むケイ素含有材料であり、及び／又は低誘電率によって特徴付けられてもよい。
【００２７】
図１−Ｄに示すように、コバルト相互接続部１０４内の窒素は、チャンバ内の水素を用いる水素プラズマ、ラジカル又は水素熱アニールによって除去される（図２のブロック２１５）。誘電体バリア層１１０は、窒素が、水素プラズマ、ラジカル又は水素熱アニールによって、誘電体バリア層１１０を通ってコバルト相互接続部１０４から除去されるために、十分に薄い（例えば、５−１００オングストロームの範囲内、例えば、２０オングストロームなど、１００オングストローム未満、又は５０オングストローム未満など）。そのような窒素の除去は、そうでなければコバルト相互接続部１０４の抵抗を増加させることになろう窒化を元の状態に戻す。我々は、水素によるこの処理が、コバルト相互接続部の抵抗を、コバルト相互接続部のアンモニアプラズマへの露出前にそれが有していた元の（より小さい）値に戻すことに気付いた。
【００２８】
その後、図１−Ｅに示すように、追加の誘電体バリア層材料１１２の堆積により、誘電体バリア層１１０の厚さは、所望の厚さまで増加しうる（例えば３００オングストロームまで、例えば１００オングストローム）（図２のブロック２２０）。この堆積は、例えば、プラズマ化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）プロセスを使用して、又は物理的気相堆積（ＰＶＤ）プロセスを使用して、又は原子層堆積（ＡＬＤ）プロセスを使用して、実行されうる。
【００２９】
第２の実施形態が、ここで説明されることになる。図３−Ａ及び図４のブロック４００を参照すると、誘電体層１９０は、半導体ウエハといったワークピース１９２上に形成された多層半導体構造の複数の層のうちの１つである。誘電体層１９０は、低誘電率の底部誘電体層３００を含みうる。コバルト相互接続部３０４は、底部誘電体層３００から誘電体層１９０を通って、誘電体層１９０の上面１９０ａに延びる。構造は、多数のコバルト相互接続部を含むが、その相互接続部のうちの１つだけが図には示されている。よって、コバルト相互接続部３０４は、誘電体層１９０を貫通する複数の相互接続部のうちの１つである。ワークピース１９２は、化学機械研磨によって処理され、コバルト相互接続部３０４の上面３０４ａは露出されたままである。上面３０４ａは、露出されると酸化し、コバルト酸化物層３０６を形成する。ワークピース１９２は、プラズマリアクタチャンバ３０７（破線で示される）内に置かれ、図４のプロセスの残りの間、そこに留まってもよい。代替的には、プロセスの異なる動作は、異なるチャンバ内で実行されうる。
【００３０】
図３−Ｂに示されるように、コバルト酸化物層３０６は、リアクタチャンバ内でアンモニアプラズマを生成することによって、除去される（図４のブロック４０５）。代替的には、コバルト酸化物の除去は、水素ラジカルのような（しかしこれらに限定されない）活性種を用いる活性化前洗浄プロセスにおいて実行されうる。コバルト酸化物がアンモニアプラズマを使用して除去される場合、次いでアンモニアプラズマからの窒素が、上面３０４ａの下に蓄積し、コバルト相互接続部３０４内に窒素含有ゾーン３０８を形成する。コバルト相互接続部３０４内に窒素が存在すると、コバルト相互接続部の電気抵抗を増加させる。
【００３１】
図３−Ｃに示されるように、エッチング停止層３１０が堆積される（図４のブロック４１０）。エッチング停止層３１０は薄い（約２０オングストローム）。エッチング停止層３１０は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などの窒素含有物質であり、それゆえに、その堆積は、コバルト相互接続部３０４の窒化に寄与する。これは、活性前洗浄プロセスがコバルト相互接続部の窒化を提供しないので、コバルト酸化物の除去を実行するために活性前洗浄プロセスが使用された重要な特徴である。そのような場合、窒化は、ＡｌＮエッチング停止層の堆積によって提供される。ＡｌＮエッチング停止層３１０の堆積は、例えば、ＣＶＤプロセスにおいて、又はＰＥＣＶＤプロセスにおいて、又は物理的気相堆積（ＰＶＤ）プロセスにおいて、又は原子層堆積（ＡＬＤ）プロセスを使用して、実行されうる。
【００３２】
図３−Ｄに示されるように、コバルト相互接続部内（例えば窒素含有ゾーン３０８内）の窒素は、水素ガス（Ｈ２）を使用して、チャンバ内の水素プラズマ、ラジカル又は水素熱アニールによって、除去される（図４のブロック４１５）。エッチング停止層３１０は、窒素が、水素プラズマ、ラジカル又は水素熱アニールによって、エッチング停止層３１０を通って、コバルト相互接続部３０４から除去されるために、十分に薄い（例えば５−１００オングストロームの範囲内、例えば２０オングストロームなど１００オングストローム未満、又は５０オングストローム未満など）。このような窒素の除去は、そうでなければコバルト相互接続部３０４の電気抵抗を増加させることになろう窒化をもとの状態に戻す。水素熱アニールは、摂氏２００−５００度の温度範囲内で実行されうる。我々は、水素によるこの処理が、コバルト相互接続部の抵抗を、コバルト相互接続部の、アンモニアプラズマへの露出前又は窒素含有エッチング停止層形成前に（ｐｒｉｏｒ  ｔｏ  ｔｈｅ  ｅｘｐｏｓｕｒｅ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｃｏｂａｌｔ  ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ  ｔｏ  ｃｏｂａｌｔ  ｎｉｔｒｉｄａｔｉｏｎ  ｂｙ  ａｍｍｏｎｉａ  ｐｌａｓｍａ  ｏｒ  ｎｉｔｒｏｇｅｎ−ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ  ｅｔｃｈ  ｓｔｏｐ）それが有していた元の（より低い）値に戻すことに気付いた。
【００３３】
その後、図３−Ｅに示されるように、エッチング停止層３１０の厚さは、追加のエッチング停止材料３１２を薄いエッチング停止層３１０の上に堆積させること（図４のブロック４２０）によって、所望の厚さまで増加しうる（例えば３００オングストロームまで、例えば１００オングストローム）。薄いエッチング停止層３１０は、コバルト相互接続部を追加のエッチング停止材料３１２内の窒素から保護する。この堆積は、例えば、ＣＶＤ若しくはＰＶＤプロセス又はＡＬＤプロセスによって実行されうる。
【００３４】
利点
上述の実施形態は、窒化及びケイ素化によるコバルト相互接続部内の抵抗増加の問題を解決する。窒化は、アンモニアプラズマによるコバルト相互接続部からの表面酸化物の除去中に発生する。窒化は、誘電体層を通して水素処理によって除去され、ケイ素化が防止される。コバルト相互接続部の窒化は、ケイ素含有層を堆積させる間に、窒化物を適所に一時的に残すことによって、活用される。窒化物は、ケイ素含有層の堆積中に、コバルト相互接続部のケイ素化を遮断する。窒素は、水素が最初のケイ素含有層を通して、コバルト相互接続部内の窒素を引き出すことができるほど十分に薄い最初のケイ素含有層を通して除去される。その後、ケイ素含有材料の最初の薄い層がコバルト相互接続部を保護するので、ケイ素含有層の厚さは、コバルト相互接続部のケイ素化がなくても、ケイ素含有材料の更なる堆積によって増加しうる。プラズマリアクタチャンバ１０７は、プラズマリアクタ（統合ツール）１０７からワークピースを除去することなく、上記で言及したプロセス又は動作のうちの各々を実行可能な統合ツールでありうる。１つの実施形態では、統合ツールは、同一のチャンバ内で上記の動作を実行する。別の実施形態では、統合ツールは、異なるチャンバ内で異なる動作を実行する。更なる実施形態では、異なる動作は、異なるツール内で実行される。
【００３５】
上記の実施形態は、窒素含有エッチング停止層（例えば、ＡｌＮ）からの窒化によるコバルト相互接続部内の抵抗増加問題を解決する。この場合、窒化は、窒素含有膜にコバルトを曝露することによって発生する。窒化は、最初のＡｌＮ層を通して水素処理によって除去される。最初のＡｌＮ層は、水素が最初のＡｌＮ層を通してコバルト相互接続部内の窒素を引き出すことができるほど、十分に薄い。その後、最初の薄いＡｌＮ層がコバルト相互接続部を保護するので、ＡｌＮ層の厚さは、コバルト相互接続部が窒化することなく、ＡｌＮ材料を更に堆積させることによって、増加しうる。プラズマリアクタチャンバ１０７は、プラズマリアクタチャンバ（統合ツール）１０７からワークピースを除去することなく、上記で言及したプロセス又は動作のうちの各々を実行可能な統合ツールでありうる。１つの実施形態では、統合ツールは、同一のチャンバ内で上記の動作を実行する。別の実施形態では、統合ツールは、異なるチャンバ内で異なる動作を実行する。更なる実施形態では、異なる動作は、異なるツール内で実行される。
【００３６】
上記は本発明の実施形態を対象とするが、本発明の基本的な範囲から逸脱することなく、本発明の他の更なる実施形態を考案することができ、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決定される。
【図１】
2019509641.tif 000003
【図２】
2019509641.tif 000004
【図３】
2019509641.tif 000005
【図４】
2019509641.tif 000006
【国際調査報告】
2019509641.tif 000007
2019509641.tif 000008
2019509641.tif 000009